dISEÑO dE UN mOdELO ExPERImENTAL PARA

Revista Publicaciones e Investigación • ISNN: 1900-6608 • Vol. 3 No. 1 • Agosto 2009
DISEÑO DE UN MODELO EXPERIMENTAL PARA ESTUDIAR EL
COMPORTAMIENTO DE LAS GRASAS INSATURADAS EN LA
ELABORACIÓN DE EMULSIONES CÁRNICAS
DESIGN OF AN EXPERIMENTAL MODEL TO STUDY THE
BEHAVIOR OF UNSATURATED FATS IN THE
PREPARATION OF MEAT EMULSIONS
Javier F. Rey R,1 Alba Doris Torres2
RESUMEN
La esencia de un buen planteamiento experimental consiste en proyectar un experimento
capaz de suministrar el tipo de información que se busca; así pues, mediante el desarrollo
del presente trabajo, se pretende determinar la calidad de los productos cárnicos elaborados
con grasas vegetales insaturadas, así como su rendimiento y, por ende, su costo respecto a los
productos tradicionales. Se plantea, entonces, un diseño experimental mediante el control
de variables, tales como, tipo de grasa, temperatura de utilización y tiempo de cutteado,
teniendo en cuenta los fenómenos fisicoquímicos y bioquímicos que ocurren durante el
proceso, iniciando el control con la composición de la carne y la grasa, como materias
primas destinadas a este fin. En este diseño se utiliza un modelo estadístico de planeamiento
factorial completo con tres variables y dos niveles para un número de quince ensayos con una
réplica. y así, obtener la ecuación que dé solución al problema identificado para posibilitar,
de esta manera, la utilización de las grasas insaturadas dentro de un proceso de elaboración de
emulsiones cárnicas.
Palabras clave: grasas vegetales insaturadas, emulsiones, cutteado.
ABSTRACT
The essence of a good experimental position consists on projecting an experiment so that
him it is able to in fact give therefore the type of information that is looked for, by means
of the development of the present work it is looked for to determine which the quality of the
meat products will be elaborated with unsaturated vegetable fats, which its yield will be and
for ende its cost regarding the traditional products, in and of itself the present investigation
1 Especialista en Ingeniería de Procesos en Alimentos y Biomateriales. Departamento de Ingeniería de Alimentos,
Universidad de La Salle. E-mail: [email protected].
2 Especialista en Ingeniería de Procesos en Alimentos y Biomateriales. Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e
Ingeniería, Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD. E-mail: [email protected].
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outlines an experimental design by means of the control of such variables as type of fat,
use temperature and time of cutteado, keeping in mind the physiochemical and biochemical
phenomena that happen beginning the control from the composition of the meat and fat during
the trial, as raw materials dedicated to this end, for he/she thought about it the experimental
design using a statistical model of complete factorial planning with 3 variables and 2 levels
for a number of 15 rehearsals with a replica. Identified the variables to control as type of fat,
temperature of use of the fats and the time of cutteado, the outlined experimental design is
applied and you ends up obtaining the equation that gives solution to the identified problem
that facilitates to use the unsaturated fats inside a process of elaboration of meat emulsions.
Key words: unsaturated vegetable fats, emulsions, Cutter.
Aceptado: abril 27 de 2009
Aprobado: mayo 26 de 2009
INTRODUCCION
Los cárnicos procesados en la actualidad se caracterizan por estar elaborados con carne
proveniente de cortes de mediana calidad (murillo, bota, cogote, entre otros), contener altos
niveles de colesterol y utilizar como materia prima las grasas saturadas. Su alto consumo se ve
reflejado en la salud de los consumidores, ya que deriva en problemas de orden cardiovascular.
Los productos cárnicos emulsionados no escapan de esta problemática ya que son elaborados
con materias primas de mediana calidad y un alto porcentaje de grasas saturadas. (Serrano y
Cofrandes, 2005). Las grasas insaturadas tienen compuestos que generan efectos positivos
en la salud del ser humano, entre ellos, reducción del riesgo de enfermedades cardiovasculares y
disminución de las cantidades de colesterol en la sangre. . Estas grasas están compuestas por
ácidos grasos funcionales, tales como, el aceite de oliva, aceite de canola y aceite de soya,
entre otros. Este tipo de grasas permanece en estado líquido a temperaturas de 20-25 ºC y
puede solidificarse después de un proceso de hidrogenación, el cual genera una estructura
trans en el ácido graso, compuesto que es perjudicial para la salud. (Duxbury, 2005).
En la industria de carnes, la mayoría de las emulsiones son de aceite en fase continua de
agua (Ac/Ag), donde la mayor cantidad de componente es la fase líquida y, la menor, la
fase dispersa. Entre ellos, encontramos los embutidos cárnicos emulsionados-escaldados
(Ramírez, 2006). Las emulsiones son sistemas inestables en los que ocurren procesos de
descreme, floculación y coalescencia, de los cuales resulta la separación de agua y grasa,
siendo este uno de los principales problemas en la correcta elaboración y conservación de
las emulsiones cárnicas, ya que se debe asegurar la estabilidad físico-química del producto
durante el tiempo de vida útil del alimento (Lees, 1982).
MATERIALES Y MÉTODOS
La presente investigación se llevó a cabo en la planta pioloto de carnes de la UNAD, mediante
un diseño experimental, utilizando un modelo estadístico de planeamiento factorial completo
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con 3 variables y 2 niveles para un número de 15 ensayos con una réplica. Este proyecto se
trabajó a escala planta piloto. Como materias primas se utilizaron carne de segunda de bovino y
aceite vegetal de soya.
Tratamiento Estadístico
• Variable dependiente
La estabilidad de la emulsión, utilizando como materia prima, grasas insaturadas y carne de
res. Esta se observa a temperatura de cocción, donde se pone a prueba la resistencia de las
materias primas utilizadas.
• Variables independientes
Tipo de grasa: según revisión bibliográfica, las grasas insaturadas que tienen el mayor
punto de fusión y pueden ser utilizadas en este proceso son: soya, canola y girasol; para los
diferentes ensayos del diseño experimental se trabajó con porcentajes de entre 10% a 30%
ya que un porcentaje mayor afectaría la estabilidad de la emulsión por exceso de grasa y las
proteínas de la carne no la lograría retener.
Temperatura de utilización de las grasas: teóricamente esta temperatura debe estar en un
valor de -4 a 7 °C; para los ensayos correspondientes se tomaron valores de 0 a 6 °C, teniendo
presente que valores cercanos a 2ºC son óptimos para que se rompa la emulsión.
Tiempo de cutteado: según la recopilación bibliográfica, este no debe superar los 25 minutos;
para los ensayos correspondientes se tomaron valores de 6 a 18 minutos, pues valores cercanos a
12 minutos son óptimos para que se desarrolle la emulsión con las mejores características.
• Variables intervinientes
La calidad de las materias primas: tiene relación directa con la calidad de la emulsión ya que
con carnes de mala calidad, la estabilidad de esta se vería afectada de forma negativa; en cuanto a
las grasas estas no soportarían esfuerzos como los realizados en un cutter (Guerrero, 1998).
Insumos utilizados: además de la carne y la grasa para la elaboración de emulsiones cárnicas,
intervienen otros insumos, entre ellos, los emulsificantes, que dan mayor estabilidad a la
emulsión cárnica; en este caso se trabajó con la proteína proveniente del aislado de soya y
el agua, la cual, gracias a su interacción con la proteína y la grasa, logra la estabilidad de la
emulsión. Esta siempre debe estar en estado sólido, a temperaturas inferiores a los 0°C.
Formulación y descripción del proceso
La formulacion utilizada se describe en la tabla número 1, seguida de la descripción del proceso.
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Tabla 1. Formulación utilizada para la elaboracion de la emulsion
Ingredientes
Carne magra de res
Porcentaje
36
a 60 %
Carne magra de cerdo
10 – 12 %
Grasa dura de cerdo
15 a 20 %
Harina de trigo
5 a 10 %
Hielo en escarcha
Sal cura
Sal común
180 a 200 ppm
1.5 a 4.8% sobre el peso de la pasta
Fosfatos embutidos
0.5 p/p máximo
Eritorbato o antioxidantes
0.05 % máximo
Fuente: Ramirez, 2006.
Recepción y preparación de carne. Tratamiento preliminar: se evalúa de forma sensorial y
fisicoquímica.
Recepción y preparación de la grasa insaturada. Tratamiento preliminar: se evalúa de forma
sensorial y fisicoquímica.
Preparación de la carne. Esta debe limpiarse de tejido conectivo y grasa de cobertura; luego
cortarse en trozos en forma de cubos de 2 cm de lado, siempre trabajándola a temperaturas
inferiores a 5°C. Preparación de la grasa. Debe estar a una temperatura entre 4°C y 6°C, pura y libre de
residuos, además de no haber sido utilizada con anterioridad en otro proceso.
Estandarización. En esta etapa se determinan las cantidades de carne de res, grasa,
emulsionante y agua necesarios para la elaboración de la emulsión cárnica. Estas cantidades
se obtienen a partir del tratamiento estadístico dado en el modelo experimental.
La base de cálculo de la formulación debe ser de 5 kg., ya que es la mínima cantidad necesaria
para trabajar a escala planta piloto.
Molido de la carne. Se debe realizar en una picadora industrial de carne, utilizando un disco
de diámetro 12 y luego pasar de nuevo por un disco de diámetro 5.
Cutteado. En esta operación se desarrolla la emulsión del producto, la cual depende, en
gran medida, del tiempo de cutteado y del orden para agregar los productos en este equipo,
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aprovechando primero la proteínas de la carne, luego la grasa, productos de relleno,
condimentos y sabores y, por último, los resaltantes del sabor.
Embutido. Se realiza luego de emulsificado el producto. Se debe utilizar la embutidora manual
para controlar la velocidad de embutido y tripa de fibrosa calibre 80 como empaque; gracias a su
protección a temperaturas elevadas, se trabaja con embutidos de un peso aproximado de 500 g.
Escaldado. Este se realiza a una temperatura de 75°C. La temperatura interna a la que deben
llegar los productos debe ser de 72°C.
Secado. Busca la eliminación del agua superficial del producto y, además, brinda sabor y semi
maduración al producto. Puede realizarse a temperaturas de 40°C por 5 horas o a temperaturas
ambiente por 24 horas.
Modelo estadistico
Para efectuar un diseño factorial se especifican los niveles en que cada factor debe ser
estudiado.
Diseño factorial 2n
Donde n = número de variables
2 = dos niveles por estudiar
• Variables: tipo de grasa, temperatura de utilización, tiempo de cutteado.
• Niveles: tipo de grasa (Grasa 1: Soya; Grasa 2: Canola; Grasa 3: Girasol)
-1 nivel inferior 1
+1 nivel superior 2
0 nivel intermedio (punto central) 3
Temperatura de utilización de la grasa en el cutter
-1 nivel inferior 0°C
+1 nivel superior 4°C
0 nivel intermedio (punto central) 2°C
Tiempo de cutteado
-1 nivel inferior 6 min.
+1 nivel superior 12 min.
0 nivel intermedio (punto central) 18min.
• Variables independientes:
X1 = Tipo de grasa
X2 = Temperatura de utilización de la grasa en el cutter
X3 = Tiempo de cutteado
2
niveles = - 1 a + 1
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Para efectuar el diseño 23 se realizaron los ensayos correspondientes y se registraron las
respuestas observadas en todas las posibles combinaciones, teniendo en cuenta los niveles
escogidos; igualmente, con los rendimientos obtenidos en los experimentos, teniendo como
base la tabla matriz de diseño y los datos obtenidos de cada ensayo en una tabla de resultados.
(Ruiz, 1986)
En el primer paso se diseñó una matriz de un planeamiento factorial 23., tal como se puede
observar en la tabla 2.
Tabla 2. matriz factorial 23
ENSAYOS
X1
X2
X3
1
-1
-1
-1
2
+1
-1
-1
3
-1
+1
-1
4
+1
+1
-1
5
-1
-1
+1
6
+1
-1
+1
7
-1
+1
+1
8
+1
+1
+1
9
-1.68
0
0
10
+1.68
0
0
11
0
-1.68
0
12
0
+1.68
0
13
0
0
-1.68
14
0
0
+1.68
15
0
0
0
Fuente: los autores
Para encontrar los valores de la matriz se creó la tabla 3, la cual contiene las variables codificadas.
Tabla 3. variables codificadas de la matriz
TIPO DE
GRASA
ªT
TIEMPO DE
CUTTEADO
X1
X2
X3
1
Soya
0°C
6 min.
2
Canola
0°C
6 min.
3
Soya
4°C
6 min
4
Canola
4°C
6 min
ENSAYO
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5
Soya
0°C
18 min.
6
Canola
0°C
18 min.
7
Soya
4°C
18 min.
8
Canola
4°C
18 min.
9
Soya/Canola
2°C
12 min.
10
Canola/Girasol
2°C
12 min.
12 min.
11
Girasol
0.32°C
12
Girasol
3.68°C
12 min.
13
Girasol
2°C
2,34 min
14
Girasol
2°C
14.32 min.
15
Girasol
2°C
12 min.
Fuente: los autores
Si el modelo lineal fuese poco confiable, es decir R2 < 80, se debe recurrir a un modelo
cuadrático, mediante la adición de puntos axiales que formarán un modelo octogonal base de
un círculo de radio Alfa ( α ) ± 1,68.
Alfa ( α ) =
(2N)1/4
Alfa ( α ) =
(23)1/4
Alfa ( α ) =
(8) ¼
Alfa ( α ) =
± 1,68
Para tres variables
A los resultados obtenidos en los ensayos, se calcula: la desviación estándar, distribución de
probabilidad y límites de confianza con un valor Alfa ( α ) = 0.95 nivel de confianza.
Los valores obtenidos son la herramienta que permite analizar su validez, mediante el método
del algoritmo de Yates.
Estos resultados permiten realizar de manera más simplificada el análisis de varianza, como
se ve a continuación:
2n-1
=
4
n2k-1
=
4(efecto)2 = 16
Suma de cuadrados totales = Σ yi2 – T
(1)
Suma de cuadrados del error = Σ yi2 – Σ Ti2/ni
(2)
Media cuadrada del error = 1/n . Σ yi2 – Σ Ti2/ni (3)
Se calcula la estimación de los factores (F) con el objetivo de identificar qué efectos son más
significativos. (Tamayo, 2001).
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El análisis de varianza se obtiene a partir de la suma de cuadrados mediante el algoritmo
de Yates.
Si en el modelo estadístico el porcentaje de variación corresponde a R2 = 0.99 se puede
afirmar que este es confiable en un nivel del 99%.
N = tyxs (efecto) n n tyxs (efecto) (4)
Solo se considera estadísticamente significativo con 95% de confianza, un efecto cuyo valor
absoluto fuera superior a tyxs (efecto) = 2,306 x 0,23 % = 0,53 %.
CONCLUSIONES
Al ponderar el grado de confiabilidad del modelo mediante el valor R2, se puede determinar
el grado de exactitud con que es explicada la variación del 99%.
Al tener un nivel de confianza del 95%, permite descartar valores que son poco significativos.
Al realizar los ensayos propuestos según modelo estadístico de planeamiento factorial, se
pueden interrelacionar todas y cada una de las variables intervinientes.
La bondad de utilizar un planeamiento factorial permite realizar los ensayos correspondientes
de manera que se efectúen los que son más representativos.
El diseño factorial permite modificar todas las variables al mismo tiempo, identificando las
más significativas.
Se espera que el producto cárnico elaborado bajo estas condiciones se encuentre dentro de
los parámetros de calidad, según Normas establecidas.
Se estima que el modelo simplificado describa con alta confiabilidad la respuesta al diseño
experimental al obtener un valor del 99%.
Se pretende llegar a aplicar la ecuación y(x1, x2, x3) = Bo = B1x1 + B2x2 + B3x3 +
B12x1x2 + B13 x1x3 + B23x2x3 + B123x1x2x3 + E(x1, x2, x3). que expresa la interrelación de las
variables y los efectos propuestos.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CEDRES y colaboradores. 2003. Composición química y características físicas de la carne
de búfalo. La Industria Cárnica Latino Americana. No. 128.
DUXBURY, D. 2005. Omega – 3s Offer solutions to trans fat substitution problems. Food
Technology. V. 59. No 4.
GUERRERO, I. 1998. Tecnología de carnes. Ed trillas.
IFIC.org. mayo 2005. Alimentos Funcionales. Consultada en Septiembre de 2006
LEES, R. 1982. Análisis de los alimentos. Métodos analíticos y de control de calidad. Ed.
Acribia S.A.
RAMIREZ, I. Tecnologia de cárnicos. UNAD. Bogotá D.C. 2006.
RUIZ, Luis . Instituto Nacional de Estadística. Métodos estadísticos de una investigación.
Introducción al análisis de varianza. Maya Madrid. 1986.
RODRIGUEZ, M. 2005. Diseño de experimentos en Alimentos. Ed. Unicamp. p 7-86;
153-160.
SERRANO y COFRADES. 2005. Productos cárnicos más saludables en el ámbito actual de
los alimentos funcionales. Alimentación Equipos y Tecnología. No. 200. Año 24.
TAMAYO TAMAYO, Mario. El proceso de la investigación científica. Editorial Limusa.
Mexico. 2001.
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